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最小化在特定频率范围内作用在涡轮叶片上的的方法

阅读:60发布:2021-04-11

专利汇可以提供最小化在特定频率范围内作用在涡轮叶片上的的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且燃气 涡轮 发动机 (100)具有 燃烧室 中的 燃料 喷射器的周向分级配置。当涡轮 叶片 在 燃气涡轮发动机 内旋转时,其受到基于点燃的喷射器(14b)的配置的升 力 和阻力。确定产生涡轮叶片(13)经历的最小不稳定力的点燃的喷射器(14b)的配置,以便增加涡轮叶片(13)的寿命并限制任何结构故障。,下面是最小化在特定频率范围内作用在涡轮叶片上的的方法专利的具体信息内容。

1.一种用于配置燃气涡轮发动机中的周向分级的方法,包括:
确定在所述燃气涡轮发动机内旋转的涡轮叶片(13)的共振频率
针对从点燃的喷射器(14b)的多个配置中选择的点燃的喷射器(14b)的第一配置,确定所述涡轮叶片(13)在所述涡轮叶片(13)的旋转一周期间遭受的不稳定频谱
针对从点燃的喷射器(14b)的多个配置中选择的点燃的喷射器(14b)的至少一个其他配置,确定所述涡轮叶片(13)在所述涡轮叶片(13)的旋转一周期间遭受的不稳定力的频谱,其中,所述点燃的喷射器(14b)的所述至少一个其他配置不同于所述点燃的喷射器(14b)的所述第一配置;
确定点燃的喷射器(14b)的多个配置中的哪个配置产生所述涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力;和
在所述燃烧室中配置所述点燃的喷射器(14b)以匹配点燃的喷射器(14b)的多个配置中产生所述涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力的配置。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,确定燃的喷射器(14b)的多个点配置中的哪个配置产生对于所述涡轮叶片(13)的最小不稳定力的步骤是针对在所述燃气涡轮发动机(100)中涡轮叶片(13)的多于一个阶段而执行的。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,对于所述燃气涡轮发动机(100)中的至少两个燃烧阶段,多个点燃的喷射器(14b)中产生所述涡轮叶片(13)经受的最小不稳定力的配置是不同的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其中,使用公式
来确定所述涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,T(t)是由使用表示未点燃的喷射器(14a)的计算流体动力学(CFD)结果来校准的正态分布而构建的综合温度曲线,并且t是所述涡轮叶片(13)的RPM的函数。
6.根据权利要求4所述的方法,其中,T(t)包括导流叶片尾迹的作用。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法,其中,产生所述涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力的所述点燃的喷射器(14b)的配置使得每个点燃的喷射器(14b)之间的间距不相等。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法,其中,点燃的喷射器和未点燃的喷射器(14a、14b)都以环形配置进行布置。
9.一种燃气涡轮发动机,包括:
燃烧室(12);
涡轮叶片(13),在所述燃气涡轮发动机(100)内旋转,其中,确定在所述燃气涡轮发动机(100)内旋转的涡轮叶片(13)的共振节点;和
位于所述燃烧室内的喷射器,用于执行周向分级,其中,基于确定产生所述涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力的点燃的喷射器(14b)的配置来点燃多个喷射器;其中,通过以下手段来确定产生所述涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力的点燃的喷射器(14b)的配置:针对从点燃的喷射器(14b)的多个配置中选择的点燃的喷射器(14b)的第一配置,确定所述涡轮叶片(13)在所述涡轮叶片(13)旋转一周期间遭受的不稳定力的频谱;针对从点燃的喷射器(14b)的多个配置中选择的点燃的喷射器(14b)的至少一个其他配置,确定所述涡轮叶片(13)在所述涡轮叶片(13)的旋转一周期间遭受的、频谱中包含的不稳定力,其中,所述点燃的喷射器(14b)的所述至少一个其他配置与所述点燃的喷射器(14b)的所述第一配置不同;以及确定点燃的喷射器(14b)的多个配置中的哪个配置产生所述涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机,其中,产生所述涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力的点燃的喷射器(14b)的配置是基于所述燃气涡轮发动机(100)中的涡轮叶片(13)的一个阶段的。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的燃气涡轮发动机,其中,使用公式来确定最小不稳定力。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机,其中,T(t)包括导流叶片尾迹的作用。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮机,其中,T(t)是由使用表示未点燃的喷射器的计算流体动力学(CFD)结果来校准的正态分布而构建的综合温度曲线,并且t是所述涡轮叶片(13)的RPM的函数。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的燃气涡轮发动机,其中,产生涡轮叶片(13)将经历的最小不稳定力的点燃的喷射器(14b)的配置使得每个点燃的喷射器(14b)之间的间距不相等。
15.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机,其中,点燃的喷射器和未点燃的喷射器(14a、14b)都以环形配置进行布置。

说明书全文

最小化在特定频率范围内作用在涡轮叶片上的的方法

技术领域

[0001] 所公开的实施例总体上涉及燃气涡轮发动机,并且更具体地涉及燃气涡轮发动机的燃烧和涡轮系统。

背景技术

[0002] 燃气涡轮发动机在燃烧室中产生燃烧产物。燃烧产物在燃气涡轮发动机的下游传递至耦合到涡轮转子的多排旋转涡轮叶片。当燃烧产物在涡轮部分中膨胀时,燃烧产物使叶片组件和涡轮转子旋转。
[0003] 在一些燃气涡轮发动机中,在燃烧室内使用了周向分级。周向分级是使用在燃烧室内周向分布的喷射器来喷射燃料和空气。激活喷射器以改变燃气涡轮发动机的功率。在燃气涡轮发动机中使用周向分级会影响涡轮部分中的涡轮叶片的寿命。发明内容
[0004] 简而言之,本公开的方面涉及燃气涡轮发动机内的激活的喷射器的配置。
[0005] 本公开的一个方面可以是一种用于配置燃气涡轮发动机中的周向分级的方法。该方法涉及确定在燃气涡轮发动机内旋转的涡轮叶片的共振频率。该方法还涉及针对从点燃的喷射器的多个配置中选择的点燃的喷射器的第一配置来确定涡轮叶片在涡轮叶片旋转一周期间遭受的不稳定力的频谱;针对从点燃的喷射器的多个配置中选择的点燃的喷射器的至少一个其他配置来确定涡轮叶片在涡轮叶片旋转一周期间遭受的不稳定力的频谱,其中,点燃的喷射器的至少一个其他配置不同于点燃的喷射器的第一配置。该方法进一步涉及确定点燃的喷射器的多个配置中的哪个配置产生涡轮叶片将经历的最小不稳定力;和在燃烧室中配置点燃的喷射器以匹配点燃的喷射器的多个配置中产生涡轮叶片将经历的最小不稳定力的配置。
[0006] 本公开的另一方面可以是一种燃气涡轮发动机,其具有燃烧室和在燃气涡轮发动机内旋转的涡轮叶片,其中,确定在燃气涡轮发动机内旋转的涡轮叶片的共振频率。燃气涡轮发动机还可具有位于燃烧室内的喷射器,用于执行周向分级,其中,基于确定产生涡轮叶片将经历的最小不稳定力的点燃喷射器的配置来点燃多个喷射器;其中,通过以下手段来确定产生涡轮叶片将经历的最小不稳定力的点燃的喷射器的配置:针对从点燃的喷射器的多个配置中选择的点燃的喷射器的第一配置,确定涡轮叶片在涡轮叶片旋转一周期间遭受于的不稳定力的频谱;针对从点燃的喷射器的多个配置中选择的点燃的喷射器的至少一个其他配置来确定涡轮叶片在涡轮叶片的旋转一周期间遭受的不稳定力的频谱,其中,点燃的喷射器的至少一个其他配置与点燃的喷射器的第一配置不同;以及确定点燃的喷射器的多个配置中的哪个配置产生涡轮叶片将经历的最小不稳定力。附图说明
[0007] 图1示出了燃气涡轮发动机的剖视图;
[0008] 图2示出了多个喷射器的局部视图;
[0009] 图3示出了喷射器和涡轮叶片的示意图;
[0010] 图4是示出用于配置燃气涡轮发动机的周向分级的方法的流程图
[0011] 图5示出了点燃的喷射器的第一配置的示意图;
[0012] 图6示出了点燃的喷射器的第二配置的示意图;
[0013] 图7示出了用于不同燃烧阶段的点燃的喷射器的配置的示意图。

具体实施方式

[0014] 为了便于理解本公开的实施例、原理和特征,在下文中参考说明性实施例中的实现来解释它们。然而,本公开的实施例不限于在所描述的系统或方法中使用。
[0015] 在下文中描述为构成各种实施例的组件和材料旨在是说明性的而非限制性的。将执行与本文描述的材料相同或类似功能的许多合适的组件和材料旨在包含在本公开的实施例的范围内。
[0016] 许多燃气涡轮发动机采用贫预混(LP)燃烧来最小化NOx排放。LP燃烧可采用周向分级来为全部发动机功率维持恒定的火焰温度,从而最小化污染物排放。
[0017] 发明人认识到使用周向分级可导致周向不均匀的温度分布。这些不均匀的温度分布可导致发动机转动期间涡轮叶片上的时变负载。如果涡轮叶片在不同的涡轮机阶段经历的不稳定升力和阻力的频率与涡轮叶片的共振频率一致,则涡轮叶片可能很快共振并且涡轮叶片可能发生故障或松脱。
[0018] 图1示出了燃气涡轮发动机100和燃烧室12的剖视图。燃烧室12是用于燃气涡轮发动机100的燃烧发生的地方。图2示出了位于燃烧室12内的喷射器14a、14b的局部视图。喷射器14a、14b可在燃烧室12内喷射燃料。喷射器14a未点燃,喷射器14b点燃。“点燃”是指在空气和燃料混合物喷射到燃烧室12中之前燃料流过喷射器14b并与流过喷射器14b的空气混合。
[0019] 图3是喷射器14a和14b的示意图。图3中所示的是沿轴向向上游朝燃烧室12的燃烧室内部观察的视图。喷射器14a是未点燃的。注射器14b是点燃的。显示涡轮叶片13以说明相对于喷射器14a和14b发生的周向运动。当涡轮叶片在燃气涡轮发动机100内旋转时,涡轮叶片13的运动使涡轮叶片13经受不同的温度、密度和速度分布。
[0020] 通常,点燃的喷射器14b布置在对称的组中。根据燃气涡轮发动机100的动力需求增加更多的喷射器14b。然而,以这种对称方式增加点燃的喷射器14b可导致涡轮叶片13很快共振并导致涡轮叶片13的故障或松脱。
[0021] 在图3所示的配置中,有四个点燃的喷射器14b位于配置的顶部,四个点燃的喷射器14b位于配置的底部。随着燃气涡轮发动机100需要更多动力,可增加更多的喷射器14b。点燃的喷射器14b可根据燃气涡轮发动机100的动力输出需要在不同阶段中添加。当涡轮叶片13绕未点燃和点燃的喷射器环14a、14b在其路径上行进时,它经受不同的温度,和因此会影响它遭受于的升力和阻力的密度分布。
[0022] 例如,当涡轮叶片13通过点燃的喷射器14b时,它经受的温度高于其通过未点燃的喷射器14a时的温度。然后,当它通过点燃的燃料喷射器14b时,它再次受到热力和合力的冲击。这在叶片13上产生具有特定频率的周期性力。如果叶片13在不同的涡轮机阶段经历的升力和阻力的频率与它们的共振频率一致,则叶片13将迅速共振并且叶片可能发生故障或松脱。
[0023] 为了解决通过使用周向分级所提出的问题并由此保持对所有功率具有恒定火焰温度的益处,已经开发了一种方法来改变燃气涡轮发动机100周围的点燃的喷射器14b的分布。点燃的喷射器14b的分布产生一种周向分级配置,其使具有在叶片的共振频率附近的频率、作用在叶片13上的不稳定力最小化。“不稳定力”是指涡轮叶片经受的不稳定升力和阻力。“附近”是指通常在5至40Hz范围内的频率,优选在15至25Hz范围内。然而,该范围可根据点燃的喷射器14b的数量而变化。该范围还可通过分析系统的坎贝尔图并获取两个节点之间的最小距离来确定。然后将该距离除以2以确定范围。
[0024] 对具有在叶片的共振频率附近的频率、作用在叶片13上的不稳定力的最小化是通过如下方式实现的,即提供一种点燃的喷射器14b的配置,使得产生不会导致与涡轮叶片13的共振频率匹配的强制频率。“强制频率“是应用于系统的振荡的频率。“附近”可以是5至40Hz之间的范围。或者可通过查看系统的坎贝尔图并获取两个节点之间的最小距离并除以
2来确定。
[0025] 该方法涉及为点燃的喷射器14b和未点燃的喷射器14a的配置确定涡轮叶片13在发动机旋转一周期间所遭受的温度的频谱。
[0026] 图4中示出了用于配置燃气涡轮发动机100的燃料喷射器14a、14b的方法的流程图。应当理解,配置方法通常是关于利用周向分级的燃气涡轮发动机来讨论的。然而,本文讨论和公开的方法适用于任何喷射器布置,其可受益于破坏任何可能导致涡轮叶片13之间的共振频率和由于点燃的喷射器14b而作用在其上的不稳定力的频率的模式。
[0027] 在步骤102中,确定涡轮叶片13的共振频率。涡轮叶片13的共振频率通常是涡轮叶片13的物理尺寸和由其构成的材料的特性。可基于各种工作温度和负载的有限元分析来确定这些共振频率。这些共振频率可在坎贝尔图中描述。然后,这些共振频率与在点燃的喷射器14b的特定配置中产生的作用在涡轮叶片13上的不稳定力的频谱一起使用。因为该方法旨在识别点燃的喷射器14b的配置,其产生涡轮叶片13的共振频率附近的最小不稳定力,所以使用涡轮叶片14b所遭受的温度历史的频谱。通常,在不稳定力和周期性强制力的频率与涡轮叶片13相等的情况下,存在涡轮叶片13发生故障或脱离的可能性。通过最小化涡轮叶片13的共振频率附近的不稳定力,将降低这些可能性。
[0028] 在步骤104中,针对点燃的喷射器14b的特定配置计算涡轮叶片13在涡轮叶片13旋转一周期间遭受的不稳定力的频谱。首先,基于从表示未点燃的喷射器14a的校准计算流体动力学模拟计算的正态分布的叠加,综合地生成对于点燃的喷射器14b的特定配置涡轮叶片13在旋转一周期间遭受的温度历史T(t),其中时间t是涡轮叶片13的RPM的函数。值T(t)可包括由导流叶片产生的尾迹作用和冷却空气的喷射。这可通过了解导流叶片的数量和对其尾迹中在燃气涡轮发动机100内的横向温度分布的粗略估计来实现。由于该算法在频域中使用,因此包含的尾迹作用和冷却空气数量不需要非常准确。
[0029] 图5中示出了点燃的喷射器14b的配置的实例。在步骤106中,确定对于点燃的喷射器14b的第二配置涡轮叶片13在涡轮叶片13旋转一周期间遭受的不稳定力的频谱,如图6所示。出于该实例的目的,仅讨论了两种配置,但是应该理解,在实践中,可针对每种可能的配置确定所有不稳定力的频谱。实际上,应确定所有可能配置的不稳定力的频谱,以便选择最佳配置。
[0030] 在对于点燃的喷射器14b的不同配置确定不稳定力的频谱之后,在步骤108中确定相对于涡轮叶片13的共振节点涡轮叶片13将经历特定的操作阶段的最小不稳定力是什么。这是通过使用公式 来实现的(FFT是T(t)的快速傅里叶变
换)。如上所述,T(t)是使用表示未点燃的喷射器14a的计算流体动力学(CFD)结果校准的正态分布构造的综合温度分布,并且其中时间t是涡轮叶片13的RPM的函数。值T(t)可包括由导流叶片产生的尾迹效果和冷却空气的喷射。这可通过了解导流叶片的数量和其尾迹中燃气涡轮发动机100内的横向温度分布的粗略估计实现。由于该算法在频域内使用,包含尾迹作用和冷却空气数量不需要非常准确。
[0031] 可针对在燃气涡轮发动机100中发生的不同情况执行最小化。可仅针对一个涡轮叶片阶段执行最小化,或者可供选择地可通过最小化针对若干个涡轮叶片13阶段的共振附近的不稳定力的总和来完成。该算法可为所有可能的发动机状况提供周围燃气涡轮发动机100的点燃的喷射器14b的最佳配置。
[0032] 图5中示出了优化工业用Trent 60的涡轮叶片13的基本共振附近的不稳定力的配置的实例。先前的燃气涡轮发动机将采用具有两对相邻的点燃的喷射器14b的配置,相隔180°。图5中所示的配置可使得涡轮叶片13具有最小不稳定力,而不是由图6中所示的配置产生的不稳定能量。因此,可在燃气涡轮发动机100的操作期间使用图5中所示的配置,以便在燃气涡轮发动机100中的这个阶段的操作期间使不稳定能量产生强制频率的可能性最小化,其中共振节点等于涡轮叶片13的共振节点并因此增加涡轮叶片13故障或脱离的可能性。
[0033] 尽管图5中所示的配置被示出得到最小值,但应该理解的是,在燃烧的某些阶段期间并且对于不同型号的燃气涡轮发动机,可能存在不止一种产生相同的最小值的配置。注意,这些配置中的一些可能是回转相等的,但是喷嘴导流叶片可能破坏这种对称性。在多个配置可产生最小值的情况下,可使用附加标准来确定选择哪个配置。在某些情况下,可能没有其他标准,并且产生最小值的配置选择可能是随机的。然而,在其他情况下,可使用诸如哪种配置通过使用附加的涡轮机阶段或最小化冷热界面而产生最佳整体性能的标准来进行选择。
[0034] 此外,虽然在许多情况下确定产生对于涡轮叶片13的最小不稳定力的配置是优选的,但是可能存在由于燃气涡轮发动机100的其他性能因素而使得点燃的喷射器14b的最终配置不被期望的情况。例如,由于发动机的瞬态能力,污染物排放或所需的数量。在这些情况下,可略微改变产生对于涡轮叶片13的最小不稳定力的配置,以便获得燃气涡轮发动机100所需的整体性能。
[0035] 图7示出了用于燃气涡轮发动机100的不同操作阶段的点燃的喷射器14b的配置。图7中所示的配置再次示出了通过采用上面参照图4讨论的方法确定的结果。换句话说,是一种点燃的喷射器14b的配置,其最佳地降低了涡轮叶片13的共振节点受到特定配置的不稳定力和相关频率的影响的机会。每次进入新阶段时,可采用确定配置的方法。
[0036] 虽然已经以示例性形式公开了本公开的实施例,但是对于本领域技术人员来说显而易见的是,在不脱离本发明和其等同物的精神和范围的情况下,可在其中进行许多修改、添加和删除,如下面的权利要求所述的。
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